据研究在数百万年前，泰晤士河已经沿现有河道路线流动，即途经牛津、伦敦等地而到达伊普斯维奇市流入北海。
在冰河时期末端，源头的冰层开始溶解，大量冰水涌入泰晤士河，使河道进一步发展，而成为今日的形态。
而在一万二千年前，英国乃与欧洲大陆版块连接，而泰晤士河的源头亦据称是位处威尔士，一直流到莱茵河汇合。
至后期版块发生移动，源头有所改变，而泰晤士河尽头也变成北海。
泰晤士河流经温带海洋性气候的平原区，水位稳定，流速较缓，河宽水深，腹地经济发达，极富航运之利。
在牛津以上的上游段仅可航行平底小船；牛津与伦敦之间可行驶驳船、小汽船、帆船及汽艇；伦敦以下可通行吃水十米的船只，而外洋班轮可抵伦敦东侧的提尔贝利。
伦敦以下的泰晤士河，牛津大学及伊顿学院即位于这些小城中。此外，还有一些其有历史性的活动在这里举行，如牛津与剑桥大学的划船比赛。
泰晤士河是英国最大的一条河流，发源于英格兰南部科茨沃尔德丘陵靠近塞伦塞斯特的地方，河流先由西向东流，至牛津转向东南方向流，过雷丁后转向东北流，至温莎再次转向东流经伦敦，最后在绍森德附近注入北海。
河流全长338公里，流域面积1.14万平方公里，多年平均流量60.0立方米/秒，多年平均径流量18.9亿立方米。流域地理位置西经2.08'～东经0.43'，北纬51.00'～52.3'。
泰晤士河水网较复杂，支流众多，其主要支流有彻恩（Churn）河、科恩（Colne）河、科尔（Kole）河、温德拉什（Windrush）河、埃文洛德（Evenlode）河、查韦尔（Cherwell）河、雷（Ray）河、奥克（Ock）河、肯尼特（Kennet）河、洛登（Loddon）河、韦（Wey）河、利（Lea）河、罗丁（Roding）河以及达伦特（Darent）河等。
泰晤士河约长330公里，自源头至潮水线（即从泰晤士黑德到特丁顿船闸〔Teddington Lock〕）为226公里（140哩），再向下的104公里（65哩，亦即由该处至诺尔〔The Nore〕沙岸）为河口湾，诺尔沙岸为河口湾过渡到大海的标志。
泰晤士河流域平均年降水量688毫米（27吋），地形结构复杂。上游排水区为一广阔三角形，以东面奇尔特恩丘陵（Chiltern Hills）与南面伯克夏当斯（Berkshire Downs）的白垩陡崖为界，其西为科兹窝德山，北为北安普敦高地。
泰晤士河在戈灵峡谷（Goring Gap）切开白垩陡崖流出后，流过北唐斯（North Downs）陡坡以北地区。其最后一条大支流梅德韦河（River Medway）则流过肯特（Kent）郡低洼的维耳德（Weald）大部分地区和伦敦以南的萨西克斯（Sussex）地区。
在穿越缓缓起伏的低地时，泰晤士河突出的特色是具有宁静恬淡的田园风光。从莱奇莱德（Lechlade）到伦敦的平均落差每公里不到32厘米（每哩不到20吋）。
而且，潮汐和海水倒灌对下游的水位有极大的影响。在伦敦西郊的特丁顿，开始间歇性地受到潮汐的影响，在高潮位时持续约3个小时。
从淡水到河口湾区域的过渡地带离伦敦市中心不远，在巴特西（Battersea）附近。伦敦都会区中心的伦敦桥处的水位，大潮时为7米（22呎），小潮时为5.5米（18呎）。
在潮汐河段上端的特